RU2823169C1 - Vertically emitting laser device - Google Patents
Vertically emitting laser device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2823169C1 RU2823169C1 RU2024105009A RU2024105009A RU2823169C1 RU 2823169 C1 RU2823169 C1 RU 2823169C1 RU 2024105009 A RU2024105009 A RU 2024105009A RU 2024105009 A RU2024105009 A RU 2024105009A RU 2823169 C1 RU2823169 C1 RU 2823169C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser device
- substrate
- layer
- mirror
- layers
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 38
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 30
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 7
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 97
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 8
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 7
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 7
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- DYZHZLQEGSYGDH-UHFFFAOYSA-N 7-bicyclo[4.2.0]octa-1,3,5-trienyl-[[7,8-bis(ethenyl)-7-bicyclo[4.2.0]octa-1,3,5-trienyl]oxy]silane Chemical compound C1C2=CC=CC=C2C1[SiH2]OC1(C=C)C2=CC=CC=C2C1C=C DYZHZLQEGSYGDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 3
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005091 Si3N Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к вертикально-излучающим лазерным устройствам на основе гетероструктур, работающим в инфракрасном диапазоне. Современные варианты конструкций вертикально излучающих лазеров основаны на использовании вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами в виде распределенных Брэгговских отражателей (РБО) на основе чередующихся четвертьволновых слоев полупроводниковых материалов различного состава или в виде высококонтрастных решеток.The present invention relates to vertically emitting laser devices based on heterostructures operating in the infrared range. Modern designs of vertically emitting lasers are based on the use of vertical optical microcavities with mirrors in the form of distributed Bragg reflectors (DBRs) based on alternating quarter-wave layers of semiconductor materials of various compositions or in the form of high-contrast gratings.
Известен вертикально излучающий лазер с РБО и внутрирезонаторными металлическими контактами (см. RU 2554302, МПК H01S 3/00, H01S 5/12, опубл. 27.06.2015), в котором внутрь резонатора, между РБО и активной областью, вводятся металлические слои, которые одновременно являются контактами и элементами резонатора, формирующими собственную моду электромагнитного поля. Толщина слоев РБО, примыкающего к металлическому слою, отличается от остальных слоев РБО, что обеспечивает такую пространственную структуру собственной моды электромагнитного поля, используемой для лазерной генерации, что узлы электрического поля совпадают по положению с металлическими слоями, что значительно уменьшает поглощение света металлическими слоями, при этом обеспечивается максимальное перекрытие электрического поля собственной моды лазера и активной области.A vertically emitting laser with DBR and intracavity metal contacts is known (see RU 2554302, IPC H01S 3/00, H01S 5/12, publ. 06/27/2015), in which metal layers are introduced inside the cavity, between the DBR and the active region, which at the same time they are contacts and elements of the resonator, forming their own mode of the electromagnetic field. The thickness of the DBR layers adjacent to the metal layer differs from the other DBR layers, which ensures such a spatial structure of the natural mode of the electromagnetic field used for laser generation that the electric field nodes coincide in position with the metal layers, which significantly reduces the absorption of light by the metal layers, when This ensures maximum overlap of the electric field of the laser’s own mode and the active region.
Недостатком известного вертикально-излучающего лазера является невозможность на его основе реализовать мультиспектральные источники лазерного излучения при использовании технологии гетерогенной интеграции, когда одно из зеркал резонатора вертикально-излучающего лазера формируют в рамках одного кремниевого чипа, поскольку ширина спектрального диапазона РБО конечна и нет возможности изготовить несколько разных РБО на одном кремниевом чипе.A disadvantage of the known vertical-emitting laser is the impossibility of using it to implement multispectral laser radiation sources using heterogeneous integration technology, when one of the mirrors of the vertical-emitting laser cavity is formed within the same silicon chip, since the width of the DBR spectral range is finite and it is not possible to manufacture several different DBR on one silicon chip.
Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. WO 2010138524, МПК H01S 5/183, H01S 5/42, опубл. 02.12.2010), включающее подложку, выполненную из Si или из InP, или из GaAs, или из GaN, или из сапфира, поверх которой последовательно выполнено зеркальная конструкция в виде высококонтрастной решетки, окруженной материалом с низким показателем преломления, активная область, имеющая множество квантовых ям, выполненных с возможностью генерации лазерного излучения и выходное зеркало в виде РБО.A vertically emitting laser device is known (see WO 2010138524, IPC H01S 5/183, H01S 5/42, published 12/02/2010), including a substrate made of Si or InP, or GaAs, or GaN, or sapphire , on top of which a mirror structure is successively made in the form of a high-contrast grating surrounded by a material with a low refractive index, an active region having many quantum wells configured to generate laser radiation, and an output mirror in the form of a DBR.
Недостатками известного вертикально излучающего лазерного устройства являются недостаточно высокий коэффициент отражения из-за отсутствия воздуха под высококонтрастной решеткой, вследствие чего имеет место паразитные потери мощности и более низкая излучательная эффективность.The disadvantages of the known vertically emitting laser device are the insufficiently high reflectance due to the lack of air under the high-contrast grating, resulting in parasitic power losses and lower radiative efficiency.
Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. WO 2019217444, МПК H01S 5/183, H01S 5/343, H01S 5/10, опубл. 14.11.2019), включающее подложку, на которой последовательно сформированы зеркальный отражатель в виде РБО, активная область и выходное зеркало в виде высококонтрастной решетки. Вокруг высококонтрастной решетки выполнен воздушный зазор, а сама решетка расположена на микроэлектромеханической системе.A vertically emitting laser device is known (see WO 2019217444, IPC H01S 5/183, H01S 5/343, H01S 5/10, published November 14, 2019), including a substrate on which a mirror reflector in the form of a DBR, an active region and output mirror in the form of a high-contrast grating. There is an air gap around the high-contrast grille, and the grille itself is located on a microelectromechanical system.
Недостатком известного вертикально излучающего лазерного устройства является отсутствие возможности технологического управления спектральными характеристиками высококонтрастной решетки, а конструкция высококонтрастной решетки не основана на простой и доступной технологии кремния на изоляторе.The disadvantage of the known vertically emitting laser device is the lack of technological control of the spectral characteristics of the high-contrast grating, and the design of the high-contrast grating is not based on simple and affordable silicon-on-insulator technology.
Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. WO 2019217794, МПК H01S 5/183, опубл. 14.11.2019), включающее активную область, расположенную между нижним отражателем, выполненным в виде РБО и верхним отражателем, выполненными из высококонтрастной решетки, содержащей оксид с низким показателем преломления, образованный из разделительного слоя, при этом решетка имеет высокий показатель преломления. Устройство содержит слой оксидной апертуры, расположенный выше активной области и ниже верхнего отражателя.A vertically emitting laser device is known (see WO 2019217794, IPC H01S 5/183, publ. November 14, 2019), including an active region located between a lower reflector made in the form of a DBR and an upper reflector made of a high-contrast grating containing an oxide with low refractive index formed from a separating layer, wherein the grating has a high refractive index. The device contains an oxide aperture layer located above the active region and below the top reflector.
Недостатками известного вертикально излучающего лазерного устройства являются недостаточно высокий коэффициент отражения высококонтрастной решетки из-за наличия воздушного зазора только с одной стороны решетки, а также отсутствие возможности технологического управления спектральными характеристиками высококонтрастной решетки по причине того, что конструкция высококонтрастной решетки не основана на простой и доступной технологии кремния на изоляторе.The disadvantages of the known vertically emitting laser device are the insufficiently high reflectivity of the high-contrast grating due to the presence of an air gap on only one side of the grating, as well as the lack of technological control of the spectral characteristics of the high-contrast grating due to the fact that the design of the high-contrast grating is not based on simple and accessible technology silicon on an insulator.
Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. CN 113708214, МПК H01S 5/10, H01S 5/183, H01S 5/34, опубл. 11.07.2023), включающее подложку из GaAs, на которой последовательно сформированы глухое зеркало в виде РБО, активная область и выходное зеркало из высококонтрастной решетки.A vertically emitting laser device is known (see CN 113708214, IPC H01S 5/10, H01S 5/183, H01S 5/34, publ. 07/11/2023), including a GaAs substrate on which a reflective mirror in the form of a DBR, active area and exit mirror made of high-contrast grating.
Из-за окружения невоздушными слоями высококонтрастной решетки выходного зеркала коэффициент отражения оказывается недостаточно высокий, что приводит к значительным потерям выходного излучения, к повышению порогового тока и ухудшению излучательной эффективности, а также к снижению температурной стабильности.Due to the high-contrast grating surrounding the output mirror with non-air layers, the reflection coefficient is not high enough, which leads to significant losses of output radiation, an increase in the threshold current and a deterioration in the emissive efficiency, as well as a decrease in temperature stability.
Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. US 20110280269, МПК H01S 5/026, опубл. 17.11.2011), включающее первое зеркало, выполненное в виде РБО, активную область, содержащую множество квантовых ям и волноводные слои, туннельный переход поверх слоя активной области, полость вертикального резонатора, высококонтрастную решетку, работающую в качестве второго зеркала, расположенного в воздухе над вертикальной резонаторной полостью.A vertically emitting laser device is known (see US 20110280269, IPC H01S 5/026, published November 17, 2011), including a first mirror made in the form of a DBR, an active region containing many quantum wells and waveguide layers, a tunnel junction on top of the active region layer , vertical resonator cavity, a high-contrast grating operating as a second mirror located in the air above the vertical resonator cavity.
Недостатком известного вертикально излучающего лазерного устройства является отсутствие возможности технологического управления спектральными характеристиками высококонтрастной решетки по причине того, что конструкция высококонтрастной решетки не основана на простой и доступной технологии кремния на изоляторе.A disadvantage of the known vertically emitting laser device is the lack of technological control of the spectral characteristics of the high-contrast grating due to the fact that the design of the high-contrast grating is not based on simple and affordable silicon-on-insulator technology.
Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. ЕР 3130045, МПК H01S 5/183, H01S 5/026, H01S 5/10, опубл. 15.02.2017), включающее подложку кремний на изоляторе, на которой последовательно сформированы глухое зеркало из РБО, активная область и выходное зеркало в виде высококонтрастной решетки, с одной стороны которого воздушный зазор, а с другой стороны - InP.A vertically emitting laser device is known (see EP 3130045, IPC H01S 5/183, H01S 5/026, H01S 5/10, published 02/15/2017), including a silicon substrate on an insulator, on which a reflective mirror from DBR, active area and an output mirror in the form of a high-contrast grating, on one side of which there is an air gap, and on the other side - InP.
Недостатком известного вертикально излучающего лазерного устройства является малый коэффициент отражения выходного зеркала, приводящий к ухудшению излучательной эффективности, а также к снижению температурной стабильности.A disadvantage of the known vertically emitting laser device is the low reflectance of the output mirror, which leads to a deterioration in radiative efficiency, as well as a decrease in temperature stability.
Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. WO 2013110004, МПК H01S 5/183, опубл. 25.07.2013), включающее подложку, выполненную из Si или из кремний на изоляторе, или из нитрида алюминия, или из нитрида галлия, или из сапфира, или из полупроводниковых материалов А3Б5, поверх которой последовательно выполнено глухое зеркало в виде высококонтрастной решетки, у которой только нижняя часть воздушная, активная область, выходное зеркало в виде высококонтрастной решетки, окруженной воздухом. В вертикально излучающем лазерном устройстве выходное зеркало может быть открыто и расположено на расстоянии от лазерной полости через воздушный зазор, который может быть изменен.A vertically emitting laser device is known (see WO 2013110004, IPC H01S 5/183, published July 25, 2013), including a substrate made of Si or silicon on an insulator, or aluminum nitride, or gallium nitride, or sapphire, or from A3B5 semiconductor materials, on top of which a solid mirror is sequentially made in the form of a high-contrast grating, in which only the lower part is air, an active region, an output mirror in the form of a high-contrast grating surrounded by air. In a vertically emitting laser device, the output mirror may be open and spaced from the laser cavity through an air gap that may be varied.
В известном вертикально излучающем лазерном устройстве из-за недостаточно высокого коэффициента отражения глухого зеркала на основе высококонтрастной решетки имеют место паразитные потери мощности и более низкая излучательная эффективность.In the known vertically emitting laser device, due to the insufficiently high reflectivity of the reflective mirror based on a high-contrast grating, parasitic power losses and lower radiative efficiency occur.
Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. ЕР 3785339, МПК H01S 5/183, H01S 5/022, H01S 5/024, H01S 5/187, опубл. 03.03.2021), содержащее подложку, обеспечивающую прохождение через нее света, выполненную из Si или из кремний на изоляторе, или из твердого раствора кремния и германия, или из фосфида индия, или из сапфира, или из полупроводниковых материалов А3Б5, поверх которой последовательно выполнено выходное зеркало в виде РБО, активная область, глухое зеркало, включающее РБО, высококонтрастную решетку и металлическое зеркало.A vertically emitting laser device is known (see EP 3785339, IPC H01S 5/183, H01S 5/022, H01S 5/024, H01S 5/187, published 03/03/2021), containing a substrate that allows light to pass through it, made of Si or from silicon on an insulator, or from a solid solution of silicon and germanium, or from indium phosphide, or from sapphire, or from semiconductor materials A3B5, on top of which an output mirror in the form of a DBR, an active region, a reflective mirror including a DBR, a high-contrast lattice and metal mirror.
Недостатками известного вертикально излучающего лазерного устройства является наличие паразитных отражений от поверхностей подложки.A disadvantage of the known vertically emitting laser device is the presence of spurious reflections from the substrate surfaces.
Известно вертикально излучающее лазерное устройство (см. WO 2012149497, МПК H01S 5/183, опубл. 01.11.2012), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Вертикально излучающее лазерное устройство-прототип включает подложку кремний на изоляторе, к которой прикреплена лазерная гетероструктура в виде верхней половины вертикально излучающего лазера, содержащей активную область, расположенную между нижним и верхним эмиттерными слоями, и верхнее зеркало, расположенное над верхним эмиттерным слоем, а в верхнем кремниевом слое подложки сформировано нижнее зеркало в виде высококонтрастной решетки.A vertically emitting laser device is known (see WO 2012149497, IPC H01S 5/183, published November 1, 2012), which coincides with the present technical solution in the largest number of essential features and is accepted as a prototype. A prototype vertically emitting laser device includes a silicon-on-insulator substrate to which is attached a laser heterostructure in the form of the upper half of a vertically emitting laser, containing an active region located between the lower and upper emitter layers, and an upper mirror located above the upper emitter layer, and in the upper The silicon layer of the substrate forms a lower mirror in the form of a high-contrast grating.
Недостатками известного вертикально излучающего лазерного устройства является недостаточно высокий коэффициент отражения зеркала на основе высококонтрастной решетки, паразитные потери мощности и более низкая излучательная эффективность.The disadvantages of the known vertically emitting laser device are the insufficiently high reflectivity of the mirror based on a high-contrast grating, parasitic power losses and lower radiative efficiency.
Задачей настоящего изобретения является разработка вертикально излучающего лазерного устройства, которое бы имело повышенную излучательную эффективность и сниженные паразитные потери мощности, и которое бы могло послужить основой для создания системы мультиспектральных источников на базе одного кремниевого чипа.The objective of the present invention is to develop a vertically emitting laser device that would have increased radiative efficiency and reduced parasitic power losses, and which could serve as the basis for creating a system of multispectral sources based on a single silicon chip.
Поставленная задача решается тем, что вертикально излучающее лазерное устройство включает подложку кремний на изоляторе, к которой прикреплена лазерная гетероструктура в виде верхней половины вертикально излучающего лазера, содержащей активную область, расположенную между верхним и нижним эмиттерными слоями, и верхнее зеркало, расположенное над верхним эмиттерным слоем, а в верхнем кремниевом слое подложки сформировано нижнее зеркало. Новым в вертикально излучающем лазерном устройстве является то, что между подложкой и нижним эмиттерным слоем расположен по меньшей мере один неметаллический слой, по обе стороны от нижнего зеркала соответственно в подложке и по меньшей мере в одном неметаллическом слое выполнены соосные отверстия, а слои между нижним и верхним эмиттерными слоями окружены воздушным зазором, соосным с отверстием в подложке.The problem is solved by the fact that a vertically emitting laser device includes a silicon substrate on an insulator, to which is attached a laser heterostructure in the form of the upper half of a vertically emitting laser, containing an active region located between the upper and lower emitter layers, and an upper mirror located above the upper emitter layer , and a lower mirror is formed in the upper silicon layer of the substrate. What is new in a vertically emitting laser device is that at least one non-metallic layer is located between the substrate and the lower emitter layer, coaxial holes are made on both sides of the lower mirror, respectively, in the substrate and at least one non-metallic layer, and the layers between the lower and The upper emitter layers are surrounded by an air gap coaxial with the hole in the substrate.
Верхнее зеркало может быть выполнено в виде РБО, например, на основе пар слоев AlGaInAs/AlInAs или AlGaInAs/InP, или в виде высококонтрастной решетки, например, на основе кремния.The top mirror can be made in the form of a DBR, for example, based on pairs of AlGaInAs/AlInAs or AlGaInAs/InP layers, or in the form of a high-contrast grating, for example, based on silicon.
Нижнее зеркало в кремниевом слое подложки может быть выполнено в виде высококонтрастной решетки путем травления параллельных сквозных штрихов в кремниевом слое подложки.The bottom mirror in the silicon substrate layer can be made in the form of a high-contrast grating by etching parallel through lines in the silicon substrate layer.
Неметаллический слой может быть выполнен из диэлектрика, например, из диоксида кремния.The non-metallic layer can be made of a dielectric, such as silicon dioxide.
Неметаллический слой может быть выполнен из полимера, например, из дивинилсилоксан-бис-бензоциклобутена.The non-metallic layer can be made of a polymer, for example, divinylsiloxane-bis-benzocyclobutene.
Неметаллический слой может быть выполнен из полупроводника, например, из InP.The non-metallic layer can be made of a semiconductor, for example InP.
Активная область и подложка могут быть соответственно выполнены: активная область из AIGaInAs или GaInAsP, а подложка из InP.The active region and the substrate can be made accordingly: the active region is made of AIGaInAs or GaInAsP, and the substrate is made of InP.
Активная область и подложка могут быть соответственно выполнены: активная область из InGaAs, InGaP, InGaAsSb, GaAsSb, GaInNAs, GaInNAsSb или из InAs, а подложка из GaAs.The active region and the substrate can be respectively made: the active region is made of InGaAs, InGaP, InGaAsSb, GaAsSb, GaInNAs, GaInNAsSb or InAs, and the substrate is made of GaAs.
Эмиттерные слои могут быть выполнены из InP, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Al, Ga, In, As, Р, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Ga, In, N, As, Sb.The emitter layers can be made of InP, or from a solid solution, which may include the elements Al, Ga, In, As, P, or from a solid solution, which may include the elements Ga, In, N, As, Sb.
В результате кремниевые сегменты высококонтрастной решетки, сформированные в кремниевом слое подложки кремний на изоляторе, полностью окружены воздухом, и решетка будет обладать максимальным коэффициентом отражения, что повысит излучательную эффективность, снизит пороговый ток и увеличит температурную стабильность вертикально излучающего лазерного устройства. При использовании технологии гетерогенной интеграции обе половины вертикально излучающего лазерного устройства объединяют в единое целое. Мультиспектральность в рамках одного кремниевого чипа будет достигнута путем формирования высококонтрастных решеток, различающихся периодом и коэффициентом заполнения кремниевыми сегментами.As a result, the silicon segments of the high-contrast grating formed in the silicon-on-insulator substrate layer are completely surrounded by air, and the grating will have maximum reflectance, which will increase the emissive efficiency, reduce the threshold current and increase the temperature stability of the vertically emitting laser device. When using heterogeneous integration technology, both halves of a vertically emitting laser device are combined into a single whole. Multispectrality within a single silicon chip will be achieved by forming high-contrast gratings that differ in period and fill factor of silicon segments.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображена в разрезе структура вертикально излучающего лазерного устройства.The essence of the invention is illustrated by the drawing, which schematically shows in section the structure of a vertically emitting laser device.
Настоящее вертикально излучающее лазерное устройство содержит подложку 1 из кремний на изоляторе, включающую последовательно расположенные слои: основание 2 из кремния, средний слой 3 из диэлектрика, выполненного, например, из диоксида кремния SiO2 и верхний слой 4 из кремния Si. На подложке 1 через по меньшей мере один неметаллический слой 5, задающий длину воздушной полости внутри резонатора лазерного устройства, а также служащий для адгезии при гетерогенной интеграции, выполненный, например, либо из полимера, например, из дивинилсилоксан-бис-бензоциклобутена, либо из диэлектрика, например, из диоксида кремния SIO2, либо из полупроводника, например, из InP, прикреплена лазерная гетероструктура 6 в виде верхней половины вертикально излучающего лазера, включающей активную область 7, расположенную между верхним эмиттерным слоем 8, выполненным, например, из InP, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Al, Ga, In, As, Р, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Ga, In, N, As, Sb, n-типа или р-типа проводимости, и нижним эмиттерным слоем 9, выполненным, например, из или InP, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Al, Ga, In, As, Р, или из твердого раствора, в состав которого могут входить элементы Ga, In, N, As, Sb, n-типа или р-типа проводимости, и верхнее зеркало 10, которое может быть выполнено в виде РБО, например, на основе пар слоев AlGaInAs/AlInAs или AlGaInAs/InP, или в виде высококонтрастной решетки, например, на основе кремния Si. Активная область 7 включает волноводные слои (на чертеже не показаны) и может включать набор слоев 11, образующий туннельный переход, служащий для того, чтобы в случае, когда анодный (положительный) контакт лежит на верхнем эмиттерном слое 8 n-типа проводимости, при работе лазерного устройства из верхнего эмиттерного слоя 8 в активную область 7 инжектировались дырки, а из нижнего эмиттерного слоя 9 с катодным (отрицательным) контактом инжектировались электроны, что упрощает технологию изготовления лазерного устройства за счет формирования унифицированной контактной композиции к эмиттерным слоям 8 и 9, если слои 8 и 9 выполнены из одинакового материала, а выбор материала с высокой подвижностью для эмиттерных слоев 8 и 9 позволяет снизить сопротивление лазерного устройства и улучшить его выходные характеристики. В верхнем слое 4 из кремния сформировано нижнее зеркало 12 в виде высококонтрастной решетки путем травления параллельных сквозных штрихов в кремниевом слое 4 подложки 1. По обе стороны от нижнего зеркала 12 в слоях 2, 3 и 5 выполнены соосные отверстия 13, 14 и 15, а слои активной области 7, набор слоев 11 и верхний эмиттерный слой 8 окружены кольцевым воздушным зазором 16, соосным с отверстиями 13-15, внутренний диаметр которого, наряду с оптическими свойствами слоев активной области 7, определяет форму оптической моды в резонаторе лазерного устройства. Верхнее зеркало 10 покрыто отражающим слоем 17, например, из золота, поверх которого сформирован один из электродов 18 лазерного устройства (например, положительный), закрепленный на нижнем эмиттерном слое 9 через диэлектрик 19, например из Si3N4. Второй электрод 20 лазерного устройства (например, отрицательный) соединен с нижним эмиттерным слоем 9 и частично изолирован диэлектриком 19, например из Si3N4, для уменьшения площади контакта электрода 20 с нижним эмиттерным слоем 9, что упрощает технологию изготовления лазерного устройства.The present vertically emitting laser device contains a
Вертикально излучающее лазерное устройство работает следующим образом. Лазерное устройство подключают к постоянному или переменному электрическому источнику. На электроды 18 и 20 подают разность потенциалов от, например, постоянного источника напряжения так, что положительный потенциал соответствует анодной области (например, эмиттерный слой 8 n-типа проводимости и набор слоев 11, образующий туннельный переход, или, например, эмиттерный слой 8 р-типа проводимости без набора слоев 11, образующих туннельный переход), а отрицательный - катодной области (например, эмиттерный слой 9 n-типа проводимости). При этом лазерное устройство находится в открытом состоянии, если прикладываемая разность потенциалов больше напряжения отсечки лазерного устройства, что обеспечивает протекание тока через лазерное устройство. С целью электрической изоляции контактных площадок электродов 18 и 20 на эмиттерный слой 9 наносят слой 19 из диэлектрика. Пропускаемый ток поставляет носители заряда в активную область 7 лазерной гетероструктуры, лежащей в основе верхней половины 6 лазерного устройства. Активная среда (слои активной области 7, например, квантовые ямы или, например, квантовые точки) и резонатор, образованный зеркалами 10 и 12, обеспечивают лазерную генерацию при пропускаемом токе выше порогового тока. Лазерная генерация проявляется в форме лазерного излучения, выходящего из резонатора, образованного зеркалами 10 и 12. Мощность выходящего лазерного излучения, помимо параметров структуры лазерного устройства, зависит от величины пропускаемого тока. Форма моды в сечении, перпендикулярной оси резонатора, образованного зеркалами 10 и 12, определяется внутренним диаметром кольцевого воздушного зазора 16 и показателями преломления слоев активной области 7. Благодаря тому, что коэффициент отражения нижнего зеркала 12 меньше, чем верхнего зеркала 10, излучение из лазерного устройства будет выводиться через зеркало 12, которое сформировано в слое 4 подложки 1 из кремний на изоляторе. С целью достижения максимального коэффициента отражения зеркала 10 сверху зеркала 10 наносится слой 17, например, из золота. С целью достижения максимального коэффициента отражения зеркала 12 над зеркалом 12 в слоях 5 и под зеркалом 12 в слое 3 формируют воздушные отверстия 14 и 15. При этом важно, чтобы оси отверстий 13, 14, 15 совпадали с осью резонатора лазерного устройства. В слое 2 сформировано воздушное отверстие 13 для предотвращения паразитного эффекта от оптической обратной связи лазерного устройства и слоя 2 подложки 1 из кремний на изоляторе.The vertically emitting laser device operates as follows. The laser device is connected to a constant or variable electrical source. The
Пример. Длина волны генерации лазерного устройства из диапазона 1100-2000 мкм была выбрана равной 1530 нм. Подложка из кремний на изоляторе включала основание из кремния толщиной 300 мкм, средний слой из диоксида кремния толщиной 2 мкм, и верхний слой из кремния толщиной 400 нм, в котором с помощью стандартных литографических методов была изготовлена высококонтрастная решетка с периодом 1055 нм, числом периодов 12, коэффициентом заполнения штрихами решетки 50.4%. В основании из кремния и в среднем слое из диоксида кремния методом реактивного ионного травления были вытравлены отверстия. На подложке через набор слоев, включающих последовательно адгезионный слой (дивинилсилоксан-бис-бензоциклобутен) толщиной 20 нм и слой диоксида кремния толщиной 340 нм, было вытравлено отверстие методом реактивного ионного травления, гетерогенно была интегрирована посредством адгезионного слоя из набора слоев лазерная гетероструктура, эпитаксиально выращенная с помощью метода молекулярно-пучковой эпитаксии, в виде верхней половины вертикально излучающего лазера, включающей активную область, расположенную между верхним эмиттерным слоем, выполненным из InP толщиной 970 нм р-типа проводимости, и нижним эмиттерным слоем, выполненным из InP толщиной 970 нм n-типа проводимости, и верхнее зеркало, которое выполнено в виде РБО на основе 28 пар слоев, каждая из которых содержит слой из AlGalnAs (толщина 115 нм, композиционная длина волны 1 мкм) и слой из AlInAs (толщина 120 нм), и слоя из золота. Слой из золота также покрывал верхний эмиттерный слой. Активная область включала волноводные слои из AlGaInAs (равные толщины по 163 нм, одинаковая композиционная длина волны 1.2 мкм), которые прилегали к эмиттерным слоям, семь слоев с квантовыми ямами из InGaAlAs с толщинами по 7.5 нм, которые разделялись слоями из InGaAlAs (толщины по 13.2 нм, композиционная длина волны 1.2 мкм), причем крайние квантовые ямы прилегали к слоям из InGaAlAs (толщины по 6 нм, композиционная длина волны 1.2 мкм), которые прилегали к волноводным слоям. Внутренний диаметр воздушного кольца, окружающего слои активной области, и соосный с отверстиями, был равен 6 мкм, при этом в резонаторе лазерного устройства возбуждается фундаментальная оптическая мода. Поверх слоя из золота и частично поверх слоя из диоксида кремния был сформирован положительный электрод лазерного устройства. Второй отрицательный электрод лазерного устройства был сформирован частично поверх нижнего эмиттерного слоя и частично поверх слоя из диоксида кремния. Коэффициент отражения от созданного зеркала составлял 99.73%, в то время как при отсутствии воздушного кольца коэффициент отражения был равен 98.5%. Коэффициент отражения является ключевым параметром, характеризующим эффективность работы лазерного устройства. Расчеты показывают, что увеличение коэффициента отражения на 1.23% приводит к снижению пороговой плотности тока в 10 раз (при эффективной длине резонатора лазерного устройства 3 мкм) и достижению большей выходной оптической мощности при одном значении пропускаемого тока. Например, при отличии пороговых плотностей тока в 10 раз и пороговом токе 1 мА лазерного устройства, при пропускаемом токе 11 мА выходная мощность лазерного устройства в 10 раз выше. Также в настоящем устройстве полностью устраняется оптическая обратная связь с внешними по отношению к резонатору, образованного зеркалами, элементами, которая приводит к скачкам на ватт-амперной характеристике лазерного устройства.Example. The lasing wavelength of the laser device from the range of 1100-2000 μm was chosen to be 1530 nm. The silicon-on-insulator substrate included a 300-μm-thick silicon base, a 2-μm-thick silicon dioxide middle layer, and a 400-nm-thick silicon top layer, in which a high-contrast grating with a period of 1055 nm and 12 periods was fabricated using standard lithographic techniques. , the filling factor of the grating strokes is 50.4%. Holes were etched into the silicon base and middle silicon dioxide layer using reactive ion etching. On the substrate, through a set of layers, including sequentially an adhesive layer (divinylsiloxane-bis-benzocyclobutene) with a thickness of 20 nm and a layer of silicon dioxide with a thickness of 340 nm, a hole was etched using the reactive ion etching method, and a laser heterostructure, epitaxially grown, was heterogeneously integrated through an adhesive layer from a set of layers using the molecular beam epitaxy method, in the form of the upper half of a vertically emitting laser, including an active region located between the upper emitter layer made of InP with a thickness of 970 nm p-type conductivity, and the lower emitter layer made of InP with a thickness of 970 nm n- conductivity type, and an upper mirror, which is made in the form of a DBR based on 28 pairs of layers, each of which contains a layer of AlGalnAs (thickness 115 nm,
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2823169C1 true RU2823169C1 (en) | 2024-07-18 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012149497A2 (en) * | 2011-04-29 | 2012-11-01 | The Regents Of The University Of California | Vertical cavity surface emitting lasers with silicon-on-insulator high contrast grating |
| RU2489774C2 (en) * | 2007-11-29 | 2013-08-10 | Нития Корпорейшн | Light-emitting device and method of making said device |
| RU2515205C2 (en) * | 2008-09-24 | 2014-05-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Semiconductor light-emitting devices grown on composite wafers |
| RU2574421C2 (en) * | 2011-04-12 | 2016-02-10 | Аркема Инк. | Inner light-emitting layer for organic light-emitting diodes |
| RU2591246C2 (en) * | 2006-12-22 | 2016-07-20 | ФИЛИПС ЛЬЮМИЛДЗ ЛАЙТИНГ КОМПАНИ, ЭлЭлСи | Light-emitting device based on nitride of group iii element with light-emitting layer with reduced voltages |
| EP3785339B1 (en) * | 2018-04-25 | 2023-05-24 | Hewlett Packard Enterprise Development LP | Bottom emitting vertical-cavity surface-emitting lasers |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2591246C2 (en) * | 2006-12-22 | 2016-07-20 | ФИЛИПС ЛЬЮМИЛДЗ ЛАЙТИНГ КОМПАНИ, ЭлЭлСи | Light-emitting device based on nitride of group iii element with light-emitting layer with reduced voltages |
| RU2489774C2 (en) * | 2007-11-29 | 2013-08-10 | Нития Корпорейшн | Light-emitting device and method of making said device |
| RU2515205C2 (en) * | 2008-09-24 | 2014-05-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Semiconductor light-emitting devices grown on composite wafers |
| RU2574421C2 (en) * | 2011-04-12 | 2016-02-10 | Аркема Инк. | Inner light-emitting layer for organic light-emitting diodes |
| WO2012149497A2 (en) * | 2011-04-29 | 2012-11-01 | The Regents Of The University Of California | Vertical cavity surface emitting lasers with silicon-on-insulator high contrast grating |
| EP3785339B1 (en) * | 2018-04-25 | 2023-05-24 | Hewlett Packard Enterprise Development LP | Bottom emitting vertical-cavity surface-emitting lasers |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6320893B1 (en) | Surface emitting semiconductor laser | |
| US6931042B2 (en) | Long wavelength vertical cavity surface emitting laser | |
| US6577658B1 (en) | Method and apparatus for planar index guided vertical cavity surface emitting lasers | |
| US7221691B2 (en) | Versatile method and system for single mode VCSELs | |
| US10447011B2 (en) | Single mode vertical-cavity surface-emitting laser | |
| KR101168460B1 (en) | Method of manufacturing an InP based vertical cavity surface emitting laser and device produced therefrom | |
| US20050063440A1 (en) | Epitaxial mode-confined vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) and method of manufacturing same | |
| JP5029254B2 (en) | Surface emitting laser | |
| US10079474B2 (en) | Single mode vertical-cavity surface-emitting laser | |
| JP2001168475A (en) | Vertical-cavity surface-emitting laser comprising single laser element provided on common substrate | |
| US20210057881A1 (en) | Vertical-cavity surface-emitting laser | |
| JP2008244470A (en) | Surface-emitting laser element | |
| US7907653B2 (en) | Vertical cavity surface emitting laser device and vertical cavity surface emitting laser array | |
| US6904072B2 (en) | Vertical cavity surface emitting laser having a gain guide aperture interior to an oxide confinement layer | |
| JP5455919B2 (en) | LIGHT EMITTING DEVICE MANUFACTURING METHOD AND LIGHT EMITTING DEVICE | |
| US7095771B2 (en) | Implant damaged oxide insulating region in vertical cavity surface emitting laser | |
| US8824518B2 (en) | Two-cavity surface-emitting laser | |
| WO2001093387A2 (en) | Long wavelength vertical cavity surface emitting laser | |
| CN111900622B (en) | Optically matched Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) with passivation | |
| RU2823169C1 (en) | Vertically emitting laser device | |
| KR100918400B1 (en) | Long wavelength vertical cavity surface emitting laser device and method for fabricating the same | |
| JP2005251860A (en) | Surface emitting laser device | |
| JP5092559B2 (en) | Surface emitting laser | |
| US7376163B2 (en) | Method for producing a waveguide structure in a surface-emitting semiconductor laser and surface-emitting semiconductor laser | |
| WO2021038680A1 (en) | Surface-emitting laser and production method therefor |